21. Aminokyseliny, bílkoviny.

Charakteristika a biologický význam bílkovin

Bílkoviny jsou makromolekulární látky, které obsahují vázané atomy uhlíku, vodíku, kyslíku, dusíku, síry i fosforu. V bílkovinách jsou vázány i aminokyseliny. Zjistilo se, že na stavbě bílkovinné látky se zúčastní průměrně 20 různých aminokyselin. Bílkoviny jsou velmi citlivé na teplo. Již při teplotě 60°C ztrácejí své biologické vlastnosti. Vyššími teplotami se srážejí.

Dle chemického složení rozlišujeme bílkoviny:

1. jednoduché – proteiny – skládají se jen z peptidových řetězců aminokyselin.
2. složené – proteidy – obsahují ve svých makromolekulách kromě peptických řetězců aminokyselin i jiné složky, např. organická barviva, cukry, tuky, kyselinu fosforečnou aj.

Bílkoviny mají různé životní funkce:

1. enzymová katalýza
2. transport a ukládání látek – transferin a ferritin se starají o přenos a ukládání železa do jater
3. pohyb – aktin a myosin
4. podpůrná funkce – pevnost a odolnost kůže a pojivových tkání – keratin
5. imunitní ochrana – imunoglobulin
6. transformace energie – rodopsin
7. regulační funkce – hormony
8. kontrola růstu a diferenciace

Protože živočichové si, na rozdíl od rostlin, nedokážou vytvořit všechny aminokyseliny sami, je pro ně kvůli tvorbě bílkovin nezbytný příjem esenciálních aminokyselin. Pro člověka je to valin, leucin, isoleucin, lysin, methionin, threonin, fenylalanin a tryptofan.

Struktura bílkovin

Rozlišujeme primární, sekundární, terciární a u některých složitějších proteinů ještě kvartérní strukturu bílkovinného řetězce.

Primární struktura

Primární struktura je dána pořadím aminokyselin v polypeptidovém řetězci. Standardně se zapisuje od N-konce k C-konci proteinu. Poprvé ji stanovil v roce 1953 Frederick Sanger, čímž byla poprvé dokázána jedinečná kovalentní struktura bílkovin. Určuje chemické vlastnosti bílkoviny a také determinuje vyšší struktury. Je dána geneticky.

Sekundární struktura

Sekundární struktura je prostorové uspořádání polypeptidového řetězce „na krátké vzdálenosti“, tzn. mezi několika po sobě jdoucími aminokyselinami. Poprvé byla určena v 30. a 40. letech 20. století. Jsou rozpoznávány různé druhy těchto stavebních motivů: alfa šroubovice (alfa-helix), struktura skládaného listu (beta-sheet), otočka (beta-hairpin), neuspořádaná struktura (random coil) a podobně. Těchto interakcí využívá ke skládání struktur vyššího řádu (terciární struktury proteinů).

Alfa-helix

Alfa-helix má tvar pravotočivé šroubovice, při pohledu shora tvoří šroubovici bílkovinná kostra, zatímco aminokyselinové zbytky směřují ven. Mezi jednotlivými patry šroubovice vznikají vodíkové můstky (a to konkrétně mezi C=O skupinou a N–H skupinou o čtyři aminokyseliny dál). Typickými aminokyselinami vyskytujícími se v alfa-helixu je zejména alanin, kyselina glutamová, leucin a methionin. Pokud se někde vyskytne prolin, zpravidla způsobí ohyb celé šroubovice. Na jeden závit připadá 3,6 aminokyselin. Všechny donory vodíkových můstků jsou orientovány jedním směrem a akceptory směrem opačným, helix je tedy vlastně slabým elektrickým dipólem.

Beta-skládaný list

Skládá se z několika aminokyselinových řetězců (peptidů), které jsou uspořádány vzájemně rovnoběžně a dochází mezi nimi ke vzniku vodíkových vazeb (konkrétně mezi vodíkem amidové skupiny a kyslíkem karbonylové skupiny sousedních řetězců). Tím se tato struktura stává stabilnější.

Sousední řetězce aminokyselin mohou být paralelní (tedy „směřovat“ stejným směrem) nebo antiparalelní (když směřují navzájem opačným směrem). Od tohoto uspořádání se odvíjí přesná struktura skládaného listu, záleží tedy, zda je paralelní nebo antiparalelní.

Z β-skládaných listů se téměř výhradně skládá molekula fibroinu, tedy základní složky hedvábí.

Terciární struktura

Tímto pojmem se označuje trojrozměrné uspořádání celého peptidového řetězce. Molekula získává charakteristický globulární nebo vláknitý tvar. Uplatňují se zde kromě vodíkových můstků i iontové vazby, disulfidické můstky, Van der Waalsovy síly a interakce polárních skupin s vodou.

Prostorové uspořádání polypeptidického řetězce (sekundární a terciární struktura) se může měnit vlivem vnějších podmínek (zvýšená teplota, silné minerální kyseliny, ionty težkých kovů). Pokud je změna vratná, mluvíme o změně konformace molekuly. Pokud současně bílkovina ztrácí svou biologickou aktivitu, jedná se o denaturaci bílkoviny. Denaturace

bílkovin má praktický význam v potravinářském průmyslu i v domácnosti při uchovávání potravin. Varem denaturované bílkoviny jsou snadno stravitelné a přitom si zachovávají svou výživnou hodnotu.

Kvartérní struktura

Řeší uspořádání podjednotek v proteinových aglomerátech, tvořících jednu funkční bílkovinu. Podjednotky jsou samostatné polypeptidické struktury, které jsou navzájem spojeny nekovalentními interakcemi. Kvartérní struktura též řeší prostorové uspořádání těchto podjednotek. Takovéto uspořádání vykazují jen složitější bílkoviny, např. fibrily kolagenu, lidské DNA polymerázy nebo molekula hemoglobinu. Ten je tvořen dvěma páry globinových řetězců, které jsou vzájemně spojeny vodíkovými můstky a iontovými vazbami, a hemem, což je porfyrin s komplexně vázaným železem.

Důkaz bílkovin

Biuretová reakce

Biuretová reakce je reakce, při níž se dokazuje bílkovina pomocí směsi roztoků hydroxidu sodného NaOH a síranu měďnatého CuSO4. Bílkovina se při důkazu zbarví modrofialově. Biuretovou reakcí dokážeme peptidové vazby. Ty tvoří v alkalickém prostředí se solemi mědi charakteristicky barevný komplex-biuret. Peptidovou vazbou se navzájem váží aminokyseliny. 

Xantoproteinová reakce

Důkaz spočívá v nitraci aromatického jádra příslušných aromatických aminokyselin v bílkovině (tryptofan, tyrozin a fenylalanin). Působením kyseliny dusičné nastává nitrace aromatického jádra za vzniku žlutých nitrosloučenin.
Roztok bílkoviny povaříme ve zkumavce s koncentrovanou kyselinou dusičnou. Vločky vysrážené bílkoviny mají charakteristické žluté zbarvení. Odlijeme kyselinu a vločky zahřejeme s přebytkem hydroxidu sodného, žlutá barva se změní na oranžovou až červenou.

Přehled bílkovin

Bílkoviny se rozdělují podle:

a) tvaru molekuly – fibrilární a globulární

b) rozpustnosti – albuminy, globuliny aj.

c) nebílkovinné složky – lipoproteiny, fosfoproteiny, glykoproteiny, hemoproteiny, metaloproteiny, nukleoproteiny

Jednoduché bílkoviny

• Fibrilární bílkoviny (skleroproteiny) mají vláknitou strukturu a v buňce mají stavební funkce. Patří mezi ně kolagen (kosti, chrupavky, kůže, šlachy). Zahříváním kolagenu se získává klih, popřípadě želatina. Keratin je obsažen ve vlasech, nehtech, peří a vlně, fibroin v přírodním hedvábí.

• Globulární bílkoviny (sferoproteiny) mají kulovitý tvar a jsou rozpustné ve vodě nebo v roztocích solí. Vyskytují se ve všech tkáních, kde mají různé funkce (enzymy, protilátky). Patří mezi ně albuminy z mléka, krevního séra a z vaječného bílku. Rozpouštějí se v čisté vodě a jsou zdrojem aminokyselin pro organismus. Globuliny je možné izolovat z mléka, z vaječného bílku, krevního séra i z některých tkání (jaterních nebo svalových). Nerozpouštějí se v čisté vodě, ale rozpouštějí se ve zředěných roztocích solí, kyselin a zásad. Krevní globuliny lze rozdělit na několik frakcí, z nichž nejznámější je γ-globulin. Globulární strukturu má i bílkovina fibrinogen obsažená v krvi a míše. Uplatňuje se při srážení krve, kdy se mění na fibrin s vláknitou strukturou. V buněčných jádrech jsou histony, které obsahují vyšší podíl zásaditých aminokyselin a vážou se na ně nukleové kyseliny.

Složené bílkoviny

• Lipoproteiny jsou bílkoviny, které jako nebílkovinnou složku obsahují lipidy. Podílejí se na stavbě buněčných membrán. Vazba lipidu na bílkovinu umožňuje jeho transport v polárním vodném prostředí, např. v krvi.
• Glykoproteiny obsahují polysacharidy. Glykoproteiny se rozpouštějí ve vodě na viskózní roztoky, některé jsou chemicky odolné. Obsahují je sliny, vylučuje je žaludeční sliznice, které tak chrání žaludeční stenu před štěpnými účinky enzymů.
• Fosfoproteiny obsahují vetší množství kyseliny fosforečné. Fosfoproteiny se nacházejí především v mléce a ve vaječném bílku. Jsou zdrojem fosforu pro syntézu nukleových kyselin. Fosfoprotein kasein obsažený v mléce ve formě vápenaté soli je zdrojem vápníku potřebného pro organismus.
• Hemoproteiny obsahují v molekule hem. Patří mezi ně hemoglobin (transport kyslíku z plic do tkání), myoglobin (zásoba kyslíku při intenzivní svalové práci) a cytochromy (katalyzují oxidační procesy v buňkách).
• Metaloproteiny obsahují atom kovu. Patří mezi ne ferritin a transferin (přenos atomu železa v organismu).

Metabolismus bílkovin

Odbourávání bílkovin

Odbourávání bílkovin začíná jejich hydrolytickým štěpením za účasti proteáz. Tím se uvolňují jednotlivé aminokyseliny, které jsou v buňkách heterotrofních organismů výhradním zdrojem dusíku, síry, aromatických kruhů a rozvětvených alifatických struktur.

Dělení proteáz:

1. Exopeptidázy – štěpí peptidový řetězec od konce

• Aminopeptidázy – štěpí od N– konce
• Karboxypeptidázy – štěpí z C– konce

2. Endopeptidázy = proteinázy – štěpí bílkoviny a větší polypeptidy uprostřed řetězce

• Pepsin
• Trypsin
• Chymotrypsin
• Katepsin B
• Papain

Odbourávání aminokyselin

Působení endo a exopeptidáz vzniká nakonec směs aminokyselin, jejichž odbourávání probíhá ve třech fázích:

1. Odstraní se aminoskupina na Cα atomu, nejčastěji transaminací nebo oxidační deaminací. Další možnost je deaminace aminokyseliny dehydratací, ale k tomu dochází jen u aminokyselin, které mají na β-uhlíku hydroxylovou skupinu – jedná se tedy o serin a threonin. Prostá deaminace – tedy odštěpení amoniaku za dvojné vazby – se uplatňuje pouze při odbourávání histidinu na kyselinu Urbanovou, která se může dále odbourávat přes glutamát. První fáze je tedy společná pro všechny aminokyseliny.

transaminace

oxidační deaminace

2. Amoniak, uvolněný katabolickými přeměnami na α-uhlíku je zpětně využíván reakcí katalyzovanou glutamátdehydrogenázou:

• NH3 + 2-oxoglutarát + NADPH + H+ ↔ Glu + NADP+ + H2O

Další díl amoniaku je využíván jako zdroj dusíku k biosyntéze různých dusíkatých látek (purinové a pyrimidinové báze, kreatin, melanin, porfyriny, nikotinamid, kyselina listová…)

Určitý díl amoniaku však zůstává volný. Člověk a jiní suchozemští živočichové jej přeměňují v játrech silně exergonickým procesem – močovinovým cyklem – na močovinu.

Močovinový cyklus

Močovinový cyklus, také ornitinový cyklus, je metabolickým cyklem, který pomáhá tělu zbavovat se nadbytečného dusíku. Ten je zakomponován do močoviny a posléze v moči vyloučen ven. Močovinový cyklus slouží k ochraně organismu před toxickými účinky amoniaku (čpavku). Močovina, do které je amoniak zabudováván je výrazně méně toxická. Močovinový cyklus probíhá hlavně v játrech, přičemž část cyklu se odehrává v mitochondrii a druhá část v cytoplazmě.

Souhrn močovinového cyklu lze zapsat:

• HCO3- + NH3 + Asp + 3 ATP → CO(NH2)2 + fumarát + 2 ADP +1 AMP + 2 Pi+ 1 PPi

3. Po odstranění aminoskupiny procházejí aminokyseliny dalšími reakcemi, které poskytují stejné produkty jako metabolismus mastných kyselin nebo sacharidů.  Podle konečných produktů odbourávání uhlíkového skeletu je lze rozdělit do dvou základních skupin.

• Glukogenní aminokyseliny – jejich konečným produktem je pyruvát. Poskytují pouze prekurzory biogeneze sacharidů nebo meziprodukty citrátového cyklu. Jejich podání hladovějícímu organismu vede ke glukoneogenezi a tvorbě glykogenu. Patří sem cystein, serin, threonin, glycin a alanin.
• Ketogenní aminokyseliny – jsou odbourávány až na acetyl-Co-A, což má za stejných fyziologických podmínek za následek překročení kapacity citrátového cyklu a tvorbu ketolátek. Poskytují fragmenty, z nichž se syntetizují mastné kyseliny. Čistě ektogenní je leucin, ale patří sem i isoleucin, tryptofan, fenylalanin a tyrosin.

Další aminokyseliny vstupují do citrátového cyklu přes:

• 2-oxoglutarát: arginin, histidin, kyselina glutamová, glutamin a prolin
• Sukcinyl-Co-A: methionin, isoleucin, valin
• Oxalacetát: kyselina asparagová, asparagin a aspartát
• Fumarát: tyrosin, fenylalanin a aspartát

Biosyntéza aminokyselin

Biosyntéza aminokyselin je poměrně složitým metabolickým procesem, který je katalyzován multienzymovými systémy a velmi často se odlišuje od mechanismů, jimiž jsou aminokyseliny odbourávány. Jednotlivé aminokyseliny tvoří určité skupiny se společnými intermediáty. Vyšší živočichové si umí vytvářet pouze 10 neesenciálních aminokyselin. Zbývající esenciální aminokyseliny musí být přijímány zvnějšku.

Tvorba bílkovin = proteosyntéza

Probíhá translací mRNA na ribozomu.